על המדרגות
רוב היסודות הם בבירור מתכות: מבריקים, גמישים, ומוליכים היטב חום וזרם. כמה יסודות בפינה הימנית העליונה של הטבלה המחזורית הם בבירור אל־מתכות: גזים, או מוצקים עמומים ופריכים שכמעט אינם מוליכים. ביניהם טבלאות רבות משרטטות קו זיגזג כמו מדרגות, מבור ועד טלוריום ופולוניום.
היסודות שיושבים לאורך הקו הזה נקראים מתכתנים. השישה המקובלים הם בור, צורן, גרמניום, ארסן, אנטימון וטלוריום. הם לא זה ולא זה. לצורן יש הברק האפור של מתכת, ובכל זאת גוש שלו מתנפץ כשמכים בו. האלקטרושליליות שלו, כמה חזק אטום מושך אלקטרונים משותפים, היא בערך 1.9, בין 1.6 של אלומיניום ל־2.2 של זרחן, וכך גם אצל האחרים. גם התחמוצות שלהם נוטות להיות באמצע, ומגיבות בחולשה גם עם חומצות וגם עם בסיסים.
אין הסכמה מלאה מי נחשב מתכתן. יש כימאים שמוסיפים פולוניום, אסטטין, סלניום או פחמן, ויש שמשמיטים את הבור או את הטלוריום. הלוח שבסצנה מסמן את השישה שכמעט כל רשימה כוללת.
מבריקים אבל שבירים
מתכת מבריקה כי האלקטרונים החופשיים שלה מגיבים לאור מכל צבע ומחזירים אותו מיד. לצורן כמעט אין אלקטרונים חופשיים, אבל יש לו פער פסים קטן: האנרגיה שדרושה כדי לשחרר אלקטרון מהקשר שלו היא 1.1 אלקטרון וולט, פחות מ־1.7 עד 3.1 האלקטרון וולט שנושאים פוטונים של אור נראה. לכן כל צבע נראה יכול לשחרר אלקטרון, והצורן בולע את כולם בשכבה דקה, וחומר שבולע אור כל כך חזק גם מחזיר חלק ניכר ממנו. התוצאה נראית כמו מתכת. אור תת־אדום, שהפוטונים שלו נושאים פחות מהפער, עובר דרכו, ולכן גרמניום, שהפער שלו קטן עוד יותר, משמש לעדשות של מצלמות חום.
ליהלום יש אותו מבנה גביש כמו לצורן, אבל פער של 5.5 אלקטרון וולט, יותר מכל פוטון נראה. האור עובר דרכו, והיהלום שקוף.
השבירות באה מהקשרים. בחרו קשרים תחת התקרבות לקשרים. כל אטום צורן חולק זוג אלקטרונים עם כל אחד מארבעה שכנים, והקשרים האלה פונים לכיוונים קבועים. במתכת שורות של אטומים יכולות להחליק זו על פני זו בתוך ים האלקטרונים, והמתכת מתכופפת. דחפו שורה של אטומי צורן הצידה, והקשרים חייבים להישבר, ולכן הגביש נסדק.
מוליכים טוב יותר כשחם
הניחו את המוט בין המלחציים, והמד יראה כמה טוב הוא מוליך זרם. אלומיניום מראה בערך 38 מיליון סימנס למטר; צורן טהור בטמפרטורת החדר מראה בערך 0.0003, פחות פי מאה מיליארד. יהלום אינו מזיז את המחוג מהעצירה שלו.
מה שמייחד את המתכתנים מתגלה כשהטמפרטורה משתנה. חימום של מתכת מרעיד את האטומים שלה חזק יותר, והם מפריעים לאלקטרונים החופשיים, ולכן אלומיניום מוליך קצת פחות טוב. חימום של צורן מנער אלקטרונים מהקשרים שלהם, וכל אלקטרון ששוחרר יכול להוליך זרם. מספר האלקטרונים המשוחררים מטפס בתלילות עם הטמפרטורה, ולכן צורן ב־400 K מוליך פי יותר ממאתיים טוב יותר מבטמפרטורת החדר. כל אלקטרון משוחרר משאיר קשר שחסר בו אלקטרון, חור, וגם חורים מוליכים זרם.
נסו: בחרו צורן ועברו בין חנקן נוזלי, טמפ׳ החדר ופלטה חמה. המחוג מתרומם מהעצירה התחתונה ומטפס אל מעבר לעשרה סימנס למטר. אחר כך בחרו אלומיניום ועשו אותו דבר: המחוג זז מעט לכיוון השני.
הגרף שליד הסצנה משרטט את שמונת המוטות יחד. בור, צורן, גרמניום וטלוריום מטפסים; ככל שהפער קטן יותר, הקו מתחיל גבוה יותר. מוליכים, מבודדים ומוליכים למחצה מסביר את פער הפסים לעומק.
שניים שמתנהגים כמו מתכות
ארסן ואנטימון שוברים את הדפוס. בחרו אחד מהם, והמד יראה מיליוני סימנס למטר, כמעט כמו אלומיניום, והחימום מוריד את הקריאה. הם חצאי־מתכות: הפסים שלהם חופפים מעט מאוד, ולכן מספר קטן וקבוע של אלקטרונים תמיד חופשי, בערך אחד על כל מאתיים אטומים בארסן. בלי פער לחצות, החום לא יכול לשחרר עוד אלקטרונים, והוא רק גורם לאטומים להפריע.
הגבישים שלהם מראים למה הם באמצע בכל זאת. כל אטום נקשר רק לשלושה שכנים, ביריעות מקומטות, והיריעות מחזיקות זו בזו רק בחולשה. כמו צורן, גם ארסן ואנטימון שבירים, ומתפוררים במקום להתכופף.
במורד המדרגות, לכיוון המתכות
המדרגות יורדות באלכסון כי שתי מגמות נפגשות. במורד טור, האטומים גדלים והאלקטרונים החיצוניים שלהם רחוקים יותר מהגרעין, ולכן מוחזקים פחות חזק. לאורך שורה קורה ההפך. היסודות שעל האלכסון מגיעים לאחיזה דומה.
טור 14 מראה את השינוי במורד טור אחד. פחמן בצורת יהלום, צורן וגרמניום בנויים כולם באותו מבנה של ארבעה קשרים לכל אטום, אבל הפער מצטמצם ככל שהאטומים גדלים: 5.5, 1.1 ו־0.7 אלקטרון וולט. מתחת לגרמניום, לבדיל אפור יש אותו מבנה בלי פער בכלל, ובדיל לבן רגיל ועופרת הם מתכות.
נסו: בחרו יהלום, אחר כך צורן, ואחר כך גרמניום, כשהתקרבות לקשרים על קשרים. הרשת זהה בכל פעם. המד והגרף מראים כמה קל יותר לשחרר אלקטרון.
שימושיים כי הם באמצע
דווקא המקום שבאמצע הופך את המתכתנים לשימושיים. אפשר להגדיל את המוליכות של צורן פי מיליון בהוספה של כמה אטומים של בור או ארסן לכל מיליון, והמקום המדויק של האטומים האלה קובע איפה יכול לזרום זרם. כך נבנים הטרנזיסטורים של האלקטרוניקה והלוחות של התאים הסולריים. מגרמניום נבנו הטרנזיסטורים הראשונים. בור נכנס לזכוכית עמידה בחום ולקרמיקות קשות, אנטימון מקשה את העופרת במצברי רכב, וטלוריום הוא מחצית מהקדמיום טלוריד שבחלק מהלוחות הסולריים.
מה המודל הזה משמיט
המוליכות של כל מוט מחושבת מנוסחה פשוטה שהותאמה לערך אחד בטמפרטורת החדר. במוליכים למחצה, מספר האלקטרונים החופשיים נקבע לפי פער הפסים בטמפרטורת החדר, בלי להתחשב בכך שהפער מצטמצם כשהגביש מתחמם, והניידות שלהם יורדת בדרך קבועה עם הטמפרטורה. באלומיניום, בארסן ובאנטימון ההתנגדות גדלה ביחס ישר לטמפרטורה, מעל כמה עשרות קלווין. ההולכה של בור עוברת באמת דרך פגמים בגביש המסובך שלו, והמודל מתייחס אליו כמוליך למחצה פשוט עם ערך מדוד טיפוסי.
המוטות מניחים טוהר מושלם. צורן אמיתי תמיד מכיל זיהומים, וכשהוא קר הם, ולא החום, מספקים את רוב האלקטרונים החופשיים שלו, ולכן מוט קר אמיתי מוליך הרבה יותר טוב ממה שהמד מראה. גם המוליכות האמיתית של יהלום נקבעת לפי הזיהומים שלו, והיא גבוהה בהרבה מהערך הטהור שהמודל נותן, אבל עדיין מתחת לתחתית המד.
הגבישים הם אשכולות קטנים. במבנה האמיתי של הבור, האשכולות בני שנים־עשר האטומים מחוברים בתבנית מסוימת שהסצנה מפשטת לקשר אחד בין כל זוג שכנים, וכל אשכול מצויר בגודל שמתאים לשולחן, לא בקנה מידה ביחס לאחרים.